用于空間站的螺旋波等離子體推進(jìn)研究進(jìn)展

夏廣慶，張軍軍，陳留偉，余水淋，劉 佳，杭觀榮

(1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116024；2.大連理工大學(xué)遼寧省空天飛行器前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連116024；3.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112)

1 引言

長期駐守的空間站會產(chǎn)生大量的廢棄物，包括航天員呼吸產(chǎn)生的二氧化碳、新陳代謝排泄物、食品殘余及包裝袋和空間站生保系統(tǒng)廢氣物等，為了充分利用這些廢棄物，目前空間站上已逐步開展和應(yīng)用廢棄物處理技術(shù)[1]將固態(tài)廢棄物轉(zhuǎn)化成氣態(tài)物質(zhì)(如 H2、CO2、CH4、H2O 等氣體)。若將這些氣態(tài)物質(zhì)作為電推力器的推進(jìn)工質(zhì)，進(jìn)一步產(chǎn)生空間站姿軌控所需的動力，可有效提高空間站的物質(zhì)利用率，減少天地往返所需攜帶的推進(jìn)工質(zhì)量，為空間站的長期運(yùn)行產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

針對空間站廢棄物的推進(jìn)技術(shù)研究，早期有電阻推力器[2-5]和電弧推力器[6-9]。電阻推力器由于受限于加熱元件或加熱室的溫度(決定工作壽命)，比沖性能較低；電弧推力器可以獲得較高的比沖，但由于產(chǎn)生電弧必需存在電極，因推力器工作時電極的不斷燒蝕限制了推力器壽命，對推進(jìn)工質(zhì)的選擇也受到限制，當(dāng)推進(jìn)工質(zhì)中含有氧元素(如水蒸氣等工質(zhì))，電極的腐蝕加劇，壽命迅速下降。

為了克服上述推力器的缺點(diǎn)，一種基于無電極、電離效率高的螺旋波等離子體源的電推進(jìn)系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，稱為螺旋波等離子體推力器(Helicon Plasma Thruster，HPT)或螺旋波雙層推力器(Helicon Double Layer Thruster， HDLT)。

螺旋波是在徑向約束磁化等離子體中傳播的右旋圓極化電磁波(RCP)，能夠產(chǎn)生很高的等離子體密度，對于典型的氬氣螺旋波等離子體(HWP)放電，射頻功率為1～2 kW時，等離子體密度能達(dá)1019m-3，峰值密度甚至能達(dá)到1020m-3，且具有很高的電離度[10-11]。

HPT工作原理示意圖如圖1所示。HPT主要由射頻功率源和射頻匹配器、螺旋波天線、石英管、磁路系統(tǒng)、噴管和氣路構(gòu)成。典型的磁路系統(tǒng)由一對Helmholtz線圈構(gòu)成，提供較為均勻的軸向磁場，在石英管的末端磁力線呈發(fā)散狀。纏繞在石英管外的天線與射頻功率源相連，典型的頻率為13.56 MHz。電流流過天線激發(fā)了隨時間變化的磁場，進(jìn)而產(chǎn)生電場，電場加速氣體中的自由電子直至發(fā)生電離，形成等離子體，基于螺旋波等離子體在膨脹磁場中存在的無電流雙層效應(yīng)加速離子形成高速離子束射流，從而產(chǎn)生推力[12]。無電流雙層存在于兩不同等離子體間的交界處，交界處的一邊具有較高的密度和較高的電子溫度，而另一邊具有較低的密度和較低的電子溫度。在交界處存在等離子體電勢的突降即為雙層效應(yīng)[13]。

HPT具有以下工作特點(diǎn)：

1)無電極燒蝕、長壽命。HPT作為一種新型推力器，采用螺旋波電離源，不需要內(nèi)置電極，避免了燒蝕問題，且束流呈中性、不需要中和器部件，可大大延長推力器的壽命[12]。

圖1 HPT工作原理示意圖Fig.1 Diagram of HPT working principle

2)可使用推進(jìn)工質(zhì)種類廣泛。推進(jìn)工質(zhì)范圍寬，包括 Xe、Ar、Kr等單原子惰性氣體，H2、N2等雙原子分子氣體，Hg、Na、Cs等堿金屬蒸氣，甚至是水蒸氣和混合氣體[14-19]。

3)高比沖。國外已有的研究表明：以Ar為工質(zhì)，比沖最高可超過1300 s；以H2為工質(zhì)，比沖最高可超過4000 s[20]。

4)功率和推力范圍寬。HPT的推力隨射頻電源功率的增加而增大，推力范圍具有良好的可升級特性，適合研制成大功率電推力器[21]。

本文對螺旋波等離子體推力器的最新研究進(jìn)展以及復(fù)雜工質(zhì)螺旋波等離子體推力器的關(guān)鍵技術(shù)和研究方法進(jìn)行系統(tǒng)綜述。

2 研究發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

目前，國外主要有澳大利亞、美國、法國、荷蘭、意大利和西班牙等國家正致力于HPT相關(guān)技術(shù)的研究，各研究機(jī)構(gòu)正在對螺旋波等離子體的產(chǎn)生機(jī)理、雙層加速機(jī)制、數(shù)理模型、不同工質(zhì)開展理論研究，并已經(jīng)設(shè)計出各式各樣的推力器原理樣機(jī)開展實(shí)驗(yàn)。

華盛頓大學(xué)利用高功率螺旋波等離子體推力器樣機(jī)已開展 Xe、Kr、Ar、H2等單一推進(jìn)工質(zhì)的性能試驗(yàn)研究，對氫氮混合工質(zhì)也進(jìn)行了測試研究，以判斷肼(聯(lián)氨)使用的可行性。由于航天器上常貯有肼工質(zhì)，該研究可為螺旋波等離子體推力器的空間應(yīng)用提供相應(yīng)的工質(zhì)來源。在不改變輸入功率大小的前提下，探尋利用不同混合推進(jìn)工質(zhì)達(dá)到可變比沖的可能性[22-23]。

馬里蘭大學(xué)分別用Ar和水蒸氣作為螺旋波等離子體推力器的推進(jìn)工質(zhì)，以少量氦氣作為種子氣體，進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，結(jié)果顯示推進(jìn)工質(zhì)中種子氣體的有無對推力器的性能影響不大[20]。美國斯坦福大學(xué)研究人員也開展了以氬氣和水蒸氣為工質(zhì)的螺旋波等離子體推力器試驗(yàn)，其中，以水蒸氣作為推進(jìn)工質(zhì)的試驗(yàn)情況如圖3所示，可以看出：水蒸氣羽流呈現(xiàn)白色，且完全沿著磁場方向，羽流中心具有明顯的等離子體束流；羽流呈現(xiàn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且中心處等離子體束流被濃密的羽流和發(fā)散的羽流所環(huán)繞；內(nèi)部的束流和濃密的羽流沿著磁力線方向，而發(fā)散的羽流未沿著磁力線方向。通過光譜分析及計算，給出了特定HPT結(jié)構(gòu)的H2O+、OH+、H+的離子密度與電子溫度的函數(shù)關(guān)系，如圖4所示[24]。

圖2 螺旋波推力器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[20]Fig.2 Experimental setup of HPT[20]

圖3 水蒸氣螺旋波等離子體推力器羽流[24]Fig.3 HPT plume using water vapor[24]

圖4 不同離子密度與電子溫度的關(guān)系[24]Fig.4 Relationship between electron temperature and ion density[24]

美國密歇根大學(xué)電推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室利用雙螺旋天線開展了軸向磁場中CO2放電研究，發(fā)現(xiàn)其主要分解產(chǎn)物是CO和O2[25]；另外，該研究機(jī)構(gòu)還驗(yàn)證了以空氣作為HPT推進(jìn)工質(zhì)的可行性。澳大利亞國立大學(xué)對CO2作為HPT推進(jìn)工質(zhì)開展了研究，發(fā)現(xiàn)沿發(fā)散的磁場線，離子密度約為7×1015m-3[26]；并且其也以 CH4為推進(jìn)工質(zhì)，對HPT進(jìn)行了性能測試，測得其離子噴氣速度范圍為21～27 km/s[27]。

2014年，歐空局基于HPH.com項(xiàng)目建立了“針對空間任務(wù)的螺旋波等離子體推力器”工程計劃，為了研究不同工質(zhì)下(主要針對的是H2、O2、N2和N2O)的螺旋波等離子體推力器的性能，建立了零維數(shù)值模型，包含大量的等離子體-化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、簡化的帶電粒子和中性粒子擴(kuò)散方程，并應(yīng)用粒子網(wǎng)格法對等離子體羽流進(jìn)行了模擬，獲得了螺旋波等離子體推力器的性能參數(shù)，其優(yōu)化的數(shù)值結(jié)果如表1所示[28]。

表1 優(yōu)化數(shù)值結(jié)果[28]Table 1 Optimal numerical results[28]

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對HPT的研究大多以氬氣為推進(jìn)工質(zhì)，而對于復(fù)雜工質(zhì)氣體成分，國內(nèi)主要是材料處理或其他方面進(jìn)行了少量的螺旋波放電實(shí)驗(yàn)。

國內(nèi)中科院物理所、南開大學(xué)、河北大學(xué)等單位早期報道了螺旋波等離子體放電及其在薄膜沉積及刻蝕方面的工作[29-31]。近些年，蘇州大學(xué)吳雪梅團(tuán)隊(duì)利用螺旋波等離子體系統(tǒng)對托卡馬克石墨壁材料清洗開展了實(shí)驗(yàn)研究[32]，北京印刷學(xué)院陳強(qiáng)團(tuán)隊(duì)采用射頻補(bǔ)償朗繆爾單探針測量了螺旋波等離子體的放電特性[33-34]，中國工程物理研究院吳衛(wèi)東采用Langmuir探針和發(fā)射光譜法研究了螺旋波誘導(dǎo)氫等離子體的密度跳躍現(xiàn)象[35]。北京航空航天大學(xué)針對VASIMR設(shè)計了一套螺旋波等離子體源，開展了電子數(shù)密度的實(shí)驗(yàn)測量[36]。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊雄等開展了磁場對螺旋波等離子體波和能量吸收影響的數(shù)值研究[37]。西安航天動力研究所對螺旋波等離子體開展了相關(guān)研究工作，使用阻滯能量分析儀測量了螺旋波等離子體源的離子能量分布，使用射頻雙探針測量了螺旋波等離子體噴出羽流的電子數(shù)密度。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所為了驗(yàn)證螺旋波電推進(jìn)的合理性和工程可行性，研制了HPT原理樣機(jī)，進(jìn)行了射頻電源的設(shè)計與分析、磁場位型的三維仿真以及小功率下的推力測量等工作。大連理工大學(xué)空間電推進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室初步完成了螺旋波等離子體推力器地面實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)的設(shè)計并對螺旋波等離子體推力器工作原理開展了較深入的研究，搭建了HPT地面樣機(jī)，以Ar作為工質(zhì)氣體進(jìn)行了放電試驗(yàn)[38-39]。

3 關(guān)鍵技術(shù)及研究方法

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

從目前的研究深度和廣度來看，對于復(fù)雜氣體工質(zhì)螺旋波等離子體推力器的研究國內(nèi)外未見公開報道，現(xiàn)有的理論和實(shí)驗(yàn)還很有限，迫切需要深入開展復(fù)雜氣體工質(zhì)螺旋波等離子體推力器性能及放電特性的基礎(chǔ)研究。其關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面：

1)HPT基于復(fù)雜工質(zhì)的放電機(jī)理：采用PIC/MCC 聯(lián)合仿真方法分別對 H2、CO2、CH4、H2O 作為HPT推進(jìn)工質(zhì)，研究等離子體的產(chǎn)生和輸運(yùn)過程，初步預(yù)示每種工質(zhì)氣體用作HPT中射頻功率產(chǎn)生等離子體的能量轉(zhuǎn)換效率，并尋求每種工質(zhì)氣體放電過程中的最佳工況。

2)HPT基于復(fù)雜工質(zhì)的雙層加速機(jī)理研究：采用混合PIC方法(離子采用經(jīng)典PIC方法描述，電子采用Boltzmann分布假設(shè)描述)，得出H2、CO2、CH4、H2O分別作為推進(jìn)工質(zhì)的螺旋波等離子體推力器雙層中的電勢、電場和電荷密度分布情況，并分析每種工質(zhì)環(huán)境下形成并維持雙層需要的外部參數(shù)條件。

3)基于復(fù)雜工質(zhì)的HPT樣機(jī)設(shè)計與性能測試：不同工質(zhì)氣體的 HPT最優(yōu)工況點(diǎn)不同，對HPT試驗(yàn)樣機(jī)的磁路系統(tǒng)、射頻傳輸系統(tǒng)進(jìn)行各自優(yōu)化設(shè)計，增大其可調(diào)性，便于調(diào)節(jié)獲得不同工質(zhì)氣體的HPT最優(yōu)工況；設(shè)計多路工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)，同時對 H2、CO2、CH4、H2O 的氣體流量進(jìn)行控制，既可混合通氣，也可單獨(dú)通氣，進(jìn)行HPT試驗(yàn)研究，明晰射頻輸入功率、磁場、推力、效率之間的關(guān)系，確定最佳工況點(diǎn)。

3.2 研究方法

3.2.1 復(fù)雜氣體工質(zhì)的HPT設(shè)計方法

復(fù)雜氣體工質(zhì)HPT樣機(jī)設(shè)計類似于單一氣體工質(zhì)，理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，對各部件進(jìn)行單獨(dú)或耦合設(shè)計，詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[12]、[38]、[39]和[40]；工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)需根據(jù)工質(zhì)主要成分，設(shè)計多組氣路輸送管路，由數(shù)個氣瓶供氣，每組氣路由單獨(dú)的質(zhì)量流量控制器調(diào)控，并增加混氣裝置，便于進(jìn)行多種工況下的HPT試驗(yàn)研究。

3.2.2 復(fù)雜氣體工質(zhì)的HPT性能測試方法

性能參數(shù)中推力可直接通過推力測量裝置獲得，并推算比沖；等離子羽流特性參數(shù)包括離子束電流、離子束平均動能及噴氣羽流發(fā)散角等參數(shù)，可通過Langmuir探針、阻滯能量分析儀、發(fā)射光譜儀等診斷裝置和方法獲得。如下簡要介紹適用于復(fù)雜氣體工質(zhì)的HPT性能測試方法。

1)推力測量方法?；趶?fù)雜氣體工質(zhì)的HPT屬于連續(xù)工作型電推力器，其輸出的推力較為穩(wěn)定，與傳統(tǒng)電推力器推力測量一致，測量方法相對簡單，有直接法和間接法。直接法通過力傳感器測得推力大小；而間接法用位移傳感器測量臺架的位移響應(yīng)，然后標(biāo)定靜態(tài)推力與臺架位移之間的線性關(guān)系，用已知砝碼的重量作為已知力逐步記錄臺架的位移量，計算得出推力值。目前國內(nèi)外常用的小推力測量裝置類型為懸擺法、彈性元件法、天平法和新型力傳感器法[39]。

2)等離子體羽流特性診斷方法。因HPT屬于電磁式推力器，且用作工質(zhì)氣體的復(fù)雜氣體成分均屬于分子氣體，Langmuir探針法具有一定的局限性，羽流特性診斷方法主要有光譜法和阻滯能量分析儀法。光譜儀通過對測得光譜譜線及強(qiáng)度分析可獲得等離子體密度、電子溫度及能量輸運(yùn)特性等，但對于具體使用的推進(jìn)工質(zhì)，需建立合適的碰撞輻射模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；阻滯能量分析儀是一種用于探測低能帶電粒子的儀器，可獲得離子分布函數(shù)，同樣，根據(jù)復(fù)雜工質(zhì)成分，需對原有的數(shù)據(jù)處理模型進(jìn)行相應(yīng)修訂。

4 結(jié)論

空間站固態(tài)廢棄物轉(zhuǎn)化成氣態(tài)物質(zhì)中，主要包括 H2、CO2、CH4、H2O。 從當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和結(jié)果分析可知，將廢氣物用作HPT的推進(jìn)工質(zhì)極具可行性和應(yīng)用前景。但是，復(fù)雜氣體工質(zhì)螺旋波等離子體推力器中等離子體的形成以及離子加速受諸多因素的影響和制約，并且包括采用工質(zhì)氣體種類和比例、推力器放電室結(jié)構(gòu)、天線構(gòu)型、磁感應(yīng)強(qiáng)度位形和大小等，目前公開的研究成果尚未對空間站固廢轉(zhuǎn)化成的氣體主要成分單獨(dú)或混合用作HPT推進(jìn)工質(zhì)的放電條件給出具體參數(shù)。因此，針對復(fù)雜氣體工質(zhì)螺旋波等離子體推力器，如何確保產(chǎn)生穩(wěn)定的高密度等離子體并最大化的轉(zhuǎn)化為推力器動能是推力器性能和優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵問題和難點(diǎn)所在，故以此為出發(fā)點(diǎn)開展理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，具體包括復(fù)雜氣體中每種單一氣體的螺旋波放電特性，復(fù)雜氣體中每種氣體不同比例條件下的螺旋波放電特性，研究不同質(zhì)量離子的輸運(yùn)及其對螺旋波場結(jié)構(gòu)(徑向和軸向的電磁場幅值及相位)的影響，不同天線構(gòu)型對點(diǎn)火啟動的影響，不同磁場位形和磁感應(yīng)強(qiáng)度對推力器性能的影響等。

綜合來看，螺旋波等離子體推力器高比沖、長壽命、工質(zhì)寬泛、推力與功率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)將在推進(jìn)技術(shù)中占有舉足輕重的地位，因此具有較大研究價值與探索意義。